DE19808681A1

DE19808681A1 - Heat conduction-type gas analyzer for continuously measuring the composition of binary or quasi-binary gas mixtures in process control and flue gas analysis

Info

Publication number: DE19808681A1
Application number: DE1998108681
Authority: DE
Inventors: Mayer
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1998-03-02
Filing date: 1998-03-02
Publication date: 1999-09-09

Abstract

A heat conduction-type gas analyzer has an electrically heated wire (1) which is maintained at a constant temperature by a current regulator. A heat conduction-type gas analyzer has an electrically heated wire (1) which is located within a cavity containing the analysis gas and which, together with fixed resistances, forms a constantly balanced Wheatstone bridge. The bridge output voltage is used as a regulating difference by a current regulator which decreases the output voltage to maintain a constant wire temperature independently of the thermal conductivity of the gas mixture.

Description

Die Erfindung betrifft die vorteilhafte Weiterentwicklung von Wärme leit-Gasanalysatoren. Diese Gasanalysatoren sind an sich bekannt und werden von zahlreichen Analysegeräteherstellern gefertigt. Dabei wird von der Erscheinung Gebrauch gemacht, daß sich Gase erheblich in ihrer Wärmeleitfähigkeit unterscheiden und die Wärmeleitfähigkeit eines Gasgemischs von den Gasanteilen abhängt, so daß durch Mes sung der Wärmeleitfähigkeit des Gasgemischs bei bekannten Kompo nenten auf die Zusammensetzung des Gemischs geschlossen werden kann. Zwar ist die Methode nicht spezifisch und i.a. nur bei binären bzw. quasibinären Gemischen anwendbar, doch ist sie sehr zuverläs sig, preiswert und erlaubt eine kontinuierliche Messung. Diese Analyse methode ist deshalb in der Prozeßmeßtechnik und bei der Rauchgas analyse weit verbreitet, zudem können Wärmeleit-Gasanalysatoren in Verbindung mit stofftrennenden Verfahren, wie der Gaschromato grafie, für vielfältige Analysenaufgaben verwendet werden.The invention relates to the advantageous further development of heat Leit gas analyzers. These gas analyzers are known per se and are manufactured by numerous analyzer manufacturers. Here use is made of the phenomenon that gases increase considerably differ in their thermal conductivity and the thermal conductivity of a gas mixture depends on the gas fractions, so that Mes solution of the thermal conductivity of the gas mixture in known compo The composition of the mixture should not be concluded can. The method is not specific and i.a. only with binary or quasi-binary mixtures, but it is very reliable sig, inexpensive and allows continuous measurement. This analysis The method is therefore used in process measurement technology and flue gas Analysis widely used, in addition, thermal conductivity gas analyzers in connection with separation processes, such as gas chromato graph, can be used for a wide range of analysis tasks.

Kernstück des Analysators ist die Wärmeleitzelle, die üblicherweise aus einem zylindrischen Hohlraum besteht, in dem sich ein koaxial aufgespannter Draht, der elektrisch geheizt wird befindet. Anstelle des linearen Drahtes sind Drahtwendeln gebräuchlich, die ebenfalls ko axial zum umgebenden Zylinder angeordnet werden. Der elektrisch geheizte Draht dient als Wärmequelle und befindet sich auf einer merklich höheren Temperatur als die Zylinderwand, deren Temperatur konstant gehalten wird. Der Hitzdraht ist vom Meßgas umgeben, so daß die freigesetzte Wärme vom Draht über das Gas zur Zylinder wand transportiert wird. Der schematische Aufbau der Wärmeleit zelle ist in Abb. 1 dargestellt. The centerpiece of the analyzer is the thermal cell, which usually consists of a cylindrical cavity in which a coaxially stretched wire, which is electrically heated, is located. Instead of the linear wire, wire coils are used, which are also arranged axially to the surrounding cylinder. The electrically heated wire serves as a heat source and is at a noticeably higher temperature than the cylinder wall, the temperature of which is kept constant. The hot wire is surrounded by the measuring gas, so that the heat released from the wire is transported via the gas to the cylinder wall. The schematic structure of the heat conducting cell is shown in Fig. 1.

Betreibt man den Hitzdraht mit konstantem Strom, so ist die Tempe ratur, auf die sich der Hitzdraht einstellt, um so höher, je niedriger die Wärmeleitfähigkeit des umgebenden Gases ist und umgekehrt. Die bisher bekannten Meßanordnungen arbeiten so, daß die Tempera tur des Drahtes über die Messung des Drahtwiderstandes bestimmt wird. Hierzu wird i.a. eine Wheatstonebrücke mit einer oder zwei Zellen benutzt, die das Meßgas enthalten. Dabei ist es zweckmäßig, eine weitere Zelle - bzw. zwei weitere Zellen - mit einem Vergleichs gas zu füllen, wodurch sich Temperaturschwankungen der Zylinderwän de kompensieren.If you operate the hot wire with constant current, the tempe is The temperature to which the hot wire adapts, the higher the lower is the thermal conductivity of the surrounding gas and vice versa. The previously known measuring arrangements work so that the tempera ture of the wire is determined by measuring the wire resistance becomes. For this, i.a. a Wheatstone bridge with one or two Cells used that contain the sample gas. It is advisable another cell - or two more cells - with a comparison fill gas, causing temperature fluctuations in the cylinder walls de compensate.

Die Drähte werden zur Vermeidung von Korrosion und katalytischer Effekte häufig mit einem Glasüberzug versehen. Da die Drahtwider stände bei linearen Drähten sehr gering sind, was hinsichtlich des Meßfehlers nachteilhaft ist, werden die Drähte oftmals gewendelt. Durch die Wendelung läßt sich ferner der Druckeinfluß vermindern, was mit der Reduktion der Entmischung aufgrund von Thermodiffu sion erklärt wurde. Bei größeren Durchmessern der Drahtwendel kann diese aus Stabilitätsgründen nicht mehr freitragend sein, sondern muß auf einen Wickelkörper aus geeigneten Material, z. B. Keramik, aufgebracht werden.The wires are used to avoid corrosion and catalytic Effects often have a glass coating. Because the wire winder levels with linear wires are very low, which in terms of Measurement error is disadvantageous, the wires are often coiled. The spiral can also reduce the influence of pressure, what with the reduction of segregation due to thermal diffusion sion was explained. With larger diameters of the wire helix For reasons of stability, this can no longer be unsupported, but must be on a winding body made of suitable material, e.g. B. ceramics, be applied.

Die Ummantelung der Drähte mit einen schlecht wärmeleitenden Ma terial wie Glas sowie das Aufbringen auf einen Wickelkörper und die damit verbundene Massenerhöhung des beheizten Teils wirken sich nachteilig hinsichtlich des dynamischen Verhaltens des Gasanalysa tors aus. Die Einstellzeiten werden z. T. drastisch erhöht, so daß sich 90%-Zeiten von ca. 20 s bis zu mehreren Minuten ergeben kön nen. Zu Erfassung schneller Konzentrationsänderungen sind solche Analysatoren deshalb nicht geeignet. Zahlreiche Regelungsaufgaben, Überwachungsaufgaben mit Sicherheitsfunktion sowie Messungen bei Gasen, deren Zusammensetzung sich rasch ändert, wie z. B. Rauchgase, erfordern Gasanalysatoren mit entsprechend kurzen Einstellzeiten. The sheathing of the wires with a poorly heat-conducting dimension material such as glass and the application to a winding body and the associated increase in mass of the heated part act disadvantageous with regard to the dynamic behavior of the gas analysis tors out. The response times are e.g. T. drastically increased so that 90% times of approx. 20 s up to several minutes can result nen. There are such to record rapid changes in concentration Analyzers are therefore not suitable. Numerous regulatory tasks, Monitoring tasks with safety functions and measurements at Gases, the composition of which changes rapidly, e.g. B. flue gases, require gas analyzers with correspondingly short response times.

Der der Erfindung zugrunde liegende Gasanalysator arbeitet nicht mit einem konstanten Heizstrom und variabler Drahttemperatur, son dern hat eine konstante Drahttemperatur bei variablem Heizstrom. Um eine Konstanz der Drahttemperatur und damit des Drahtwiderstan des zu erreichen, muß der Heizstrom bei Änderung der Gaszusammen setzung und dadurch bedingter Änderung der Wärmeleitfähigkeit des Gasgemischs entsprechend geregelt werden. Z.B. würde die Zunahme der Wärmeleitfähigkeit bei konstantem Heizstrom zu einer Erniedri gung der Drahttemperatur führen. Bei der hier beschriebenen Meß anordnung wird jedoch durch ein Regelkreis der Heizstrom derart erhöht, daß die Temperatur des Drahtes konstant bleibt.The gas analyzer on which the invention is based does not work with a constant heating current and variable wire temperature, son it has a constant wire temperature with variable heating current. To keep the wire temperature constant and thus the wire resistance To achieve this, the heating current must change when the gas changes setting and consequent change in the thermal conductivity of the Gas mixture can be regulated accordingly. E.g. would increase the thermal conductivity with a constant heating current to a low lead of the wire temperature. In the measurement described here arrangement is, however, by a control circuit of the heating current increases that the temperature of the wire remains constant.

Der herausragende Vorteil der erfindungsmäßigen Meßanordnung be steht darin, daß die Zeiten für das Einstellen des thermischen Gleich gewichts weitgehend entfallen und die Einstellzeit des Analysators verglichen mit Einstellzeiten bei variabler Drahttemperatur drastisch verkürzt wird. Ein solcher Analysator kann deshalb wesentlich weiter reichende Meßaufgaben erfüllen als ein herkömmlicher.The outstanding advantage of the measuring arrangement according to the invention be is that the times for setting the thermal equals weight largely eliminated and the response time of the analyzer compared to setting times with variable wire temperature drastically is shortened. Such an analyzer can therefore go much further sufficient measuring tasks than a conventional one.

In Abb. 2 ist der Meßaufbau schematisch unter Verwendung einer einzelnen Meßzelle dargestellt. Die drei Festwiderstände werden so festgelegt, daß ihr Widerstandswert mit dem des Hitzdrahtes bei der maximal auftretenden Wärmeleitfähigkeit des Analysegases überein stimmt, wobei hier der maximale Heizstrom I_H,max fließt. Die Brüc ke ist abgeglichen, und die Brückenausgangsspannung ist U_D=0. Ändert sich die Gaszusammensetzung und verringert sich hierdurch die Wärmeleitfähigkeit des Analysegases, so hat der Hitzdraht die Tendenz sich zu erwärmen und seinen Widerstand zu erhöhen. Dies verursacht eine (geringfügige) Verstimmung der Brücke, so daß jetzt die Brückenausgangsspannung ungleich null wird. Die Brückenausgangs spannung gelangt auf den Eingang eines Reglers, der den Heizstrom so weit reduziert, daß sich die ursprüngliche Temperatur und der ursprüngliche Drahtwiderstand wieder einstellen, so daß die Brücke jetzt erneut abgeglichen ist. Bei der minimalen Wärmeleitfähigkeit fließt schließlich der minimale Heizstrom I_H,min.In Fig. 2 the measurement setup is shown schematically using a single measuring cell. The three fixed resistors are set so that their resistance value matches that of the hot wire at the maximum thermal conductivity of the analysis gas, with the maximum heating current I _{H, max} flowing here. The bridge is balanced and the bridge output voltage is U _D = 0. If the gas composition changes and the thermal conductivity of the analysis gas is reduced, the hot wire tends to heat up and increase its resistance. This causes a (slight) detuning of the bridge, so that the bridge output voltage is now non-zero. The bridge output voltage arrives at the input of a regulator that reduces the heating current to such an extent that the original temperature and the original wire resistance are restored, so that the bridge is now balanced again. With the minimum thermal conductivity, the minimum heating current I _{H, min} .

Der Zusammenhang zwischen Wärmeleitfähigkeit und Heizstrom ist zwar nicht linear, doch besteht ein streng monotoner Zusammenhang, so daß durch Messung des Heizstromes die Wärmeleitfähigkeit eindeu tig ermittelt werden kann. Da im übrigen auch der Zusammenhang zwischen der Gaskonzentration und der Wärmeleitfähigkeit i.a. nicht linear ist, empfiehlt sich eine empirische Kalibrierung des Gasanaly sators, wie sie auch bei herkömmlichen Geräten durchgeführt wird. Mit einer Recheneinheit (analog oder digital) erfolgt die Umsetzung des Stromsignals in ein Konzentrationssignal für das jeweilige Analysen problem.The relationship between thermal conductivity and heating current is not linear, but there is a strictly monotonous relationship, so that the thermal conductivity by measuring the heating current can be determined. Since the rest of the connection between the gas concentration and the thermal conductivity i.a. Not empirical calibration of the gas analysis is recommended sators, as is also carried out with conventional devices. With A computing unit (analog or digital) implements the Current signal into a concentration signal for the respective analyzes problem.

Eine Verdoppelung der Empfindlichkeit läßt sich erreichen, wenn statt nur einer Meßzelle zwei Meßzellen verwendet werden, wie in Abb. 3 gezeigt. Die Verwendung von zwei Hitzdrähten in einer Halbbrücke hat nämlich die Verdoppelung der Brückenausgangsspannung zufolge, so daß entsprechend kleinere Konzentrationsunterschiede detektierbar werden. Allerdings ist die Zunahme der Empfindlich keit wie bisher mit einem apparativen Mehraufwand verbunden.The sensitivity can be doubled if two measuring cells are used instead of just one measuring cell, as shown in Fig. 3. The use of two hot wires in a half-bridge has in fact doubled the bridge output voltage, so that correspondingly smaller differences in concentration can be detected. However, the increase in sensitivity is still associated with an additional outlay on equipment.

Besondere Bedeutung hat die Schwankung der Temperatur der Meß zellenwand T_W. Da die Meßzelle(n) in einem thermostatisierten Block eingearbeitet sind, ist T_W näherungsweise konstant. Geringe Tempera turschwankungen lassen sich jedoch mit einfachen Thermostaten nicht vermeiden. Diese Temperaturschwankungen werden bei der herkömmli chen Technik meist dadurch kompensiert, daß man den Zellen, die mit Analysegas gefüllt sind, eine gleiche Anzahl Zellen beifügt, die mit einem sog. Vergleichsgas gefüllt sind. Alle Zellenwände müssen in gutem thermischen Kontakt stehen, so daß sich eine Kompensation von Temperaturschwankungen der Wände ergibt. Bei der erfindungs mäßigen Meßanordnung ist diese Kompensation nicht ohne weiteres möglich, da Schwankungen der Wandtemperatur durch die Regelung des Heizstromes mit berücksichtigt werden; d. h. sie machen sich als Fehler bemerkbar. Zudem sind Kompensationsmaßnahmen durch Ver gleichsgaszellen wegen der Nichtlinearität nicht zweckmäßig. Hier wurde das Problem dadurch gelöst, daß ein Widerstandstemperatur fühler Pt100 zur Erfassung der Temperatur des Blocks, in den die Wärmeleitzellen eingearbeitet sind und der die Wände der Zellen bildet, benutzt wird. Da dieser Block thermostatisiert ist, sind die auftretenden Temperaturschwankungen gering, würden jedoch unkom pensiert Meßfehler verursachen.The fluctuation in the temperature of the measuring cell wall T _{W is of} particular importance. Since the measuring cell (s) are incorporated in a thermostatted block, T _{W is} approximately constant. However, slight temperature fluctuations cannot be avoided with simple thermostats. These temperature fluctuations are usually compensated for in conventional technology by adding an equal number of cells to the cells that are filled with analysis gas, which are filled with a so-called reference gas. All cell walls must be in good thermal contact so that temperature fluctuations in the walls are compensated. In the measuring arrangement according to the Invention, this compensation is not readily possible since fluctuations in the wall temperature are taken into account by regulating the heating current; ie they make themselves felt as mistakes. In addition, compensation measures by reference gas cells are not appropriate due to the non-linearity. Here the problem was solved by using a resistance temperature sensor Pt100 to measure the temperature of the block in which the heat-conducting cells are incorporated and which forms the walls of the cells. Since this block is thermostatted, the temperature fluctuations that occur are small, but would cause measurement errors without compensation.

Sinkt z. B. die Blocktemperatur ab, so würde tendenziell auch die Hitzdrahttemperatur sinken, und die Temperaturregelungseinrichtung würde einen höheren Heizstrom liefern, um die Drahttemperatur konstant zu halten. Dies würde allerdings eine höhere Wärmeleitfähig keit des Analysegases vortäuschen, d. h. die Konzentrationsanzeige wäre fehlerhaft. Zur Korrektur läßt sich das Signal der Blocktempera tur heranziehen. In einer Recheneinheit wird die Abweichung der Blocktemperatur berücksichtigt, und das Konzentrationssignal wird entsprechend korrigiert. Die Korrekturwerte werden empirisch ermit telt. Das Blockschema ist in den Abb. 2 und 3 dargestellt.For example, For example, if the block temperature decreases, the hot wire temperature would also tend to decrease, and the temperature control device would deliver a higher heating current in order to keep the wire temperature constant. However, this would simulate a higher thermal conductivity of the analysis gas, ie the concentration display would be incorrect. The signal of the block temperature can be used for correction. The deviation of the block temperature is taken into account in a computing unit and the concentration signal is corrected accordingly. The correction values are determined empirically. The block diagram is shown in Figs. 2 and 3.

Zusammenfassend läßt sich sagen, daß die erfindungsmäßige Konfigu ration bei etwa gleichem apparativen Aufwand wie herkömmliche Wärmeleit-Gasanalysatoren eine erheblich kürzere Einstellzeit hat und damit für Meßaufgaben verwendet werden kann, bei denen es auf schnellen Zugriff zu den Analysedaten ankommt.In summary, it can be said that the inventive configuration ration with about the same expenditure on equipment as conventional Thermal conductivity gas analyzers have a significantly shorter response time and thus can be used for measuring tasks where it is on fast access to the analysis data arrives.

Fundstelle:
D. Plesch, Dissertation, Karlsruhe 1973. Location:
D. Plesch, dissertation, Karlsruhe 1973.

Reference list

Abb. 1 Schematische Darstellung der Wärmeleitzelle 1 Hitzdraht
2 Isolierkörper
3 Block
4 Analysegas
5 Elektrische Zuleitungen
6 Analysegaseingang
7 Analysegasausgang
8 Temperaturfühler Pt100
9 Durchführung (Isolator)
Fig. 1 Schematic representation of the thermal cell 1 hot wire
2 insulating bodies
3 block
4 analysis gas
5 electrical leads
6 Analytical gas inlet
7 Analysis gas outlet
8 Pt100 temperature sensors
9 bushing (isolator)

Abb. 2 Blockschaltbild des Wärmeleit-Gasanalysator mit Viertelbrücke 1 Hitzdraht d. Wärmeleitzelle
8 Temperaturfühler Pt100 (T_W)
10 Wärmeleitzelle
11-13 Festwiderstände
14 Regler für Heizstrom I_H
15 Temperaturmeßbrücke (U(T_W))
16 Amperemeter (Ausgang: U(I_H)
17 Recheneinheit
18 Konzentrationsanzeige
19 Thermostat (T_W)
U_D Ausgangsspannung der Viertelbrücke
I_H Heizstrom (I_H,min, . . ., I_H,max)
T_W Wandtemperatur der Wärmeleitzelle
U(T_W) Spannungssignal von T_W
U(I_H) Spannungssignal von I_H
Fig. 2 Block diagram of the thermal conductivity gas analyzer with quarter bridge 1 hot wire d. Thermal cell
8 Pt100 temperature sensors (T _W )
10 thermal cell
11-13 fixed resistors
14 controller for heating current I _H
15 temperature measuring bridge (U (T _W ))
16 ammeters (output: U (I _H )
17 arithmetic unit
18 concentration display
19 thermostat (T _W )
U _D output voltage of the quarter bridge
I _H heating current (I _{H, min} ,..., I _{H, max} )
T _W wall temperature of the thermal cell
U (T _W ) voltage signal from T _W
U (I _H ) voltage signal from I _H

Abb. 3 Blockschaltbild (teilweise) des Wärmeleit-Gasanalysators mit Halbbrücke; d. h. mit zwei Wärmeleitzellen 8 Temperaturfühler Pt100
10 Wärmeleitzelle 1
11 Festwiderstand
13 Festwiderstand
16 Amperemeter mit Signalausgang
19 Thermostat (für beide Wärmeleitzellen)
20 Wärmeleitzelle 2
Fig. 3 Block diagram (partially) of the thermal conductivity gas analyzer with half-bridge; ie with two thermal cells 8 temperature sensors Pt100
10 thermal cell 1
11 fixed resistance
13 fixed resistance
16 ammeters with signal output
19 thermostat (for both thermal cells)
20 thermal cell 2

Claims

1. Thermal conductivity gas analyzer, which continuously measures the composition of binary or quasi-binary gas mixtures of the type known components, wherein an electrically heated wire, which can also be coiled or provided with an insulating coating, is arranged within a cavity, whereby between wire and cavity wall the analysis gas is located and the heat released by the wire flows over the gas path to the comparatively cool wall of the cavity, characterized (the numbers refer to FIGS. 1 to 3),

- That the hot wire ( 1 ) is kept at a constant temperature, regardless of the thermal conductivity of the gas mixture,
- That to maintain the constant temperature of the hot wire, a controller ( 14 ) is used which influences the heating current I _H such that an increasing (or decreasing) thermal conductivity of the analysis gas causes a corresponding increase (or decrease) in the heating current, so that the temperature of the hot wire remains constant,
- That the hot wire ( 1 ) together with the fixed resistors ( 11 ), ( 12 ) and ( 13 ) forms a Wheatstone quarter bridge, which is always balanced due to the temperature and resistance con stance, the bridge output voltage U _D as a control difference acts on the controller ( 14 ) and the control takes place so that U _D disappears.

2. Thermally conductive gas analyzer according to claim 1, characterized in

- That instead of a single thermal cell, two cells ( 10 ) and ( 20 ) are used, which are located in a common thermostat and together with the fixed resistors ( 11 ) and ( 13 ) form a Wheatstone half-bridge, which leads to the arrangement 1 doubles the sensitivity.

3. Thermally conductive gas analyzer according to claim 1 or 2, characterized in that

- That the slight fluctuations of the temperature T _W, which is kept almost constant by a thermostat, are determined by a temperature measuring device ( 8 ) and ( 15 ) and the temperature signal is supplied to a computing unit ( 17 ) and used to correct the concentration signal.